剧场里的“好声音”是如何设计出来的

音频应用

实验室里的广州大剧院声学缩尺模型，共有1804张红色座椅。
　　1804张红色座椅，“品”字形红舞台，“双手环抱”的3层坐席……7月18日午后，在华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室声学实验室里，一座“石盖子”缓缓打开，露出广州大剧院歌剧厅模型，除了几何尺寸是实体建筑的1/20外，其他细节都很逼真。
　　广州大剧院正式启用前一年多，中国科学院院士吴硕贤领衔的团队就对其进行声学缩尺模型实验和现场测试，“这是为了让广州大剧院‘听起来很完美’，确保每个位置都能听到高保真声效”。吴硕贤团队承担了北京人民大会堂、广州友谊剧院、广州白云国际会议中心等100余项工程的声学研究与设计任务，填补建筑声学多个空白领域。
　　亚热带建筑科学国家重点实验室还首次建立中国人头传输函数HRTF数据库，并在国际上率先实现视听一体的座位选择系统，未来去广州大剧院听歌剧，有可能提前“听音选座”。
　　搭建迷你大剧院找缺陷帮助调整方案
　　作为厅堂最主要的吸声体之一，座椅材质的匹配成为关键。孙海涛找了几十种不同材料，在小混响室内反复测试，最后确定用聚酯纤维，能最接近实际座椅的声学效果。
　　走进一个新场所，吴硕贤的第一反应，不是“看”，而是“听”。30多年形成的职业习惯，使他有双敏感的耳朵。拍拍手、“吼嘿”两声，基本就能判断所在建筑的声学设计水平如何，“看声音的脉冲响应数据，就像老练的医生看肺部X光片。”
　　广州大剧院的声学设计由世界建筑声学权威马歇尔·戴声学顾问公司承担，吴硕贤是两位国内声学顾问之一。为保证建成后的音质，按国际惯例，超过1500座的重要厅堂均需进行声学缩尺模型实验，吴硕贤团队承担了这一工作。
　　华南理工大学的亚热带建筑科学国家重点实验室能实现在1：10及1：20缩尺模型中进行声学实验的成套技术，并能较准确地预测声场参数，该实验室是迄今建筑科学领域唯一的国家重点实验室。
　　画图纸，搭建1：20的缩尺模型，模型界面用GRG材料制作，一切都很顺利。但作为厅堂最主要的吸声体之一，座椅材质的匹配成为关键。华工建筑学院高级工程师、建筑声学子实验室主任孙海涛找了几十种不同材料，在小混响室内反复测试，最后确定用聚酯纤维，能最接近实际座椅的声学效果。
　　据此制作了1804个长宽仅2-3厘米的“迷你”座椅，选择不同坐席区典型39个座位作为测点，在座椅处放一个微型麦克风，用脉冲声进行实验，然后用计算机分析声学参数。
　　声学模型实验的结果，主要用于分析并发现声学缺陷，以便调整建筑设计方案。吴硕贤团队对广州大剧院进行初步测试时就发现，多数测点的声场均满足要求，但有9个测点的脉冲响应存在能量较集中的长延时反射声，这意味着，听众在收听音乐时，可能会听到回声，影响声音音质。
　　团队提议，在舞台台口两侧墙面、天花的某些部位增加扩散构件。这些扩散构件能够较好地将声能扩散，消除回声隐患，并增强明晰度。他们在缩尺模型内侧贴上一些条形扩散体，重新测试后，各测点的声脉冲响应达到满意状态。下次去歌剧厅，不妨看看舞台台口两侧墙面，那些小三角形状体就是经过艺术美化后的扩散体。
　　除了声学模型实验，华工建筑学院教授、博士生导师、建筑技术科学实验中心主任、建筑学系副系主任赵越喆教授与孙海涛还在项目施工中期扛着喇叭、功放、麦克风、电脑、声卡、模拟人头等笨重器械，多次到大剧院现场测试，“熬了很多个通宵，因为晚上没有施工噪声影响，测量结果更准确。”2010年，直到广州大剧院歌剧厅首演前一日，赵越喆等人还在做最后的现场声学测试。
　　衡量歌剧厅的声学条件主要有三个指标：一是有足够的响度感，即哪怕离舞台最远的地方也能享受到声学上的亲近感;二是清晰度，即不管坐在哪个座位上，都能听清楚音符与歌词;三是有混响感，即能感觉声音很丰满，混响感很强。从测试效果来看，广州大剧院达到了国际一流剧院的声学条件。
　　采集粤剧好声音建民族乐器“大数据”
　　“咿咿呀呀……”这三个月来，消声室里不时出现广州粤剧团老生、青衣、花旦、武生等行当演员的身影，他们或唱或念，赵越喆带领研究生对声音进行采集并测算。吴硕贤团队正与广州粤剧团合作研究粤剧演员的发声特性，到上月底，粤剧主要角色的声音参数均已测试收集。
　　采访当天，记者穿过一条狭窄的通道，前往实验室地下一层，进行声学测试的几个神秘“幽室”便藏身其中。通道两侧采用弹性垫层物质隔振，一迈入，声音立刻有种被抽离感。
　　进到消音室，室内各个表面的暗红多孔材料被做成尖劈状，横竖有序地排列着，围成一个没有反射声和干扰声的自由声场。这是一间精密级消声室，截止频率可低至60HZ.也就是说，频率在60HZ以上的声音能量都能被消声室吸走99.99%，吸完后在消声室内只能听到声源的直达声，听不到反射声。
　　“咿咿呀呀……”这三个月来，消声室里不时出现广州粤剧团老生、青衣、花旦、武生等行当演员的身影，他们或唱或念，赵越喆带领研究生对声音进行采集并测算。吴硕贤团队正与广州粤剧团合作研究粤剧演员的发声特性，到上月底主要角色的声音参数均已测试收集。
　　“过去我们音乐厅、剧院的设计，照搬西洋音乐厅、歌剧院音质设计导则，但民族音乐戏曲发声的特性与西洋音乐和歌剧是有区别的。有了自己的研究成果，就可以帮助设计师设计完全中国化的音乐厅、剧院了。”
　　除了人声，吴硕贤与赵越喆首次对国内民族乐器声功率级进行科学系统测定。“民族乐器发明8000多年来，首次系统性地在实验室测算”，在吴硕贤看来，要设计出符合中国民族音乐和戏曲音质的厅堂，就要先了解民族音乐的基础数据。
　　以拉弦乐器为例，西方音乐中的大小中提琴与中国戏曲的二胡、京胡、板胡、高胡，频谱、音色、发声方式等区别就很大。2004年起，赵越喆作为主力参与这一研究。实验室与星海音乐学院合作，不定期地请来乐师演奏，陆续对30多种中国民族乐器进行声功率测定，包括乐器在不同音域的不同单音、音阶等，每种乐器测定2到3件。
　　到2008年，经过混响室法和消声室法的对比验证，30余种重要的民族乐器声音频谱、声功率、声能辐射指向特性的系统测量总体完成，形成较系统的民族音乐干信号资料库和民族乐器声功率数据库。这些数据指标，已应用到广州友谊剧院改造以及广东粤剧院等工程设计上，香港正在建设的西九龙演艺中心粤剧院，也将之列为设计的重要参考。
　　今年底，民族音乐厅堂音质指标专著有望出版，30多种民族乐器的“大数据”准备集结面世。而对更多种类的民族乐器及其声能辐射方向特性的系统测试研究，仍在补充和进行。
　　画城市噪声地图可查区域噪声有多大
　　2008年到2009年，周旻花了半年时间，实测广州越秀公园周围1平方公里范围声环境，做了一张小型噪声地图，还针对广州内环路做过一个类似噪声地图。
　　“搞建筑声学的人太少了，对人听觉的关怀一直都很欠缺。”国内研究建筑声学的机构，吴硕贤掰着手指就数得清，“华工、清华、同济、东南、重庆大学……，寥寥无几。”而在发达国家，英国就有200多个单位研究声学。国内鲜有专门的声学顾问公司，吴硕贤团队也会承担一部分重要剧场音乐厅声学顾问的工作。不过，吴硕贤最早在建筑声学方面的研究，并非厅堂音质，而是城市交通噪声。
　　“人居声环境非常重要，有关噪声的投诉案件往往在各地都排第一位。”早在上世纪80年代初，吴硕贤已启动对城市交通噪声的预测及防噪规划研究。当时，要了解车流对建筑和街道的影响，需要知道车辆声音的强度，吴硕贤只能用“笨办法”。
　　他租来不同类型的汽车，拉到北京郊区沙河机场，让车按照不同速度行驶，分别测量声音强度，并记录声压级读数，再根据数据推算声音功率。当时学院仅有唯一的一台计算机，被吴硕贤盯上了。他自学计算机编程，设计出用计算机模拟车流噪声、用计算公式预报噪声等高效便捷的研究方式。“当时获得大量一手数据，后来被很多人引用。”他的博士论文系统地提出城市交通噪声预报、仿真及防噪规划的理论与方法，在国内这一研究领域做了开拓性工作。
　　上世纪90年代初，车流噪声对建筑影响的算法，尚停留在“理想化”自由场内，即假定周围没有建筑，同一种车型在野外匀速等间隔运行，推导出噪声计算公式。但如果周围有密集建筑、有镜像反射，怎么算?
　　“当时突然有了灵感，能不能假设两边有‘虚拟的墙’?”吴硕贤循着这一灵感深入研究，首次阐明了声学虚边界原理(虚墙法)，推导出混响场车流噪声简洁公式，较好地解决了国际上20多年未能解决的难题。
　　欧美等国对交通噪声地图的研究开展得较早，尤其自欧盟发布《2002年环境噪声指引》以来，噪声地图得到更广泛的应用：英国、西班牙、德国、意大利等都展开了噪声地图的研究与应用。2005年英国出版了世界上最大的官方噪声地图，地图上不同颜色代表不同的声级，人们只要登录噪声地图并输入邮编就可以知道相关街道上的噪声有多大。
　　这一年，肇庆学院美术学院建筑技术科学副教授周旻攻读吴硕贤的博士，吴院士建议她研究城市噪声地图，这也是他之前城市噪声研究的延续。“当时城市噪声地图的系统研究在国内还是空白。”
　　噪声地图首先需要大范围的地理基础数据，包括建筑物分布及高度数据、交通车流量数据、计算模型软件、部分关键校验点测量数据、录像等。
　　对人居环境而言，通常噪声级在60dBA以下可以接受，夜间对声音要求则更安静更低。2008年到2009年，周旻花了半年时间，实测广州越秀公园周围1平方公里范围声环境，做了一张小型噪声地图。“道路两旁都高于70dBA，夜间车少稍好。”她还针对广州内环路做过一个类似噪声地图。
　　2009年周旻博士毕业，交出《基于GIS的噪声地图研究》。当时，技术上已经可以实现利用网络按附近地名检索查找各区域的噪声指标，“到2009年，吴硕贤团队已经掌握城市噪声地图实现与网络呈现的技术”。这一年，吴硕贤在重庆还曾建议当地绘制一张城市噪声地图，作为市民买房的参考。不过这一技术直到目前并未大规模应用，“主要因为资金有限，技术上也需要定期更新。”
　　调研八大高铁站怎么设计广播更清晰
　　高铁站室内所有界面都是石材、铝合金、金属等，没有吸声效果，容易造成长混响和回声。调研后发现，对顶层做吸声降噪处理效果更好，“扬声器放多少个、怎么放、声音怎么控制，都有讲究。”
　　68岁的吴硕贤院士谈起建筑和声音，如同说起自家的孩子，细腻而热情。他从事的建筑声学研究，主要包括厅堂音质和环境声学。用吴硕贤的标准，重要厅堂的声学设计要做到一根针掉到地上也能听到，但长久以来，建筑室内声学环境问题没有引起重视。
　　不久前，吴硕贤刚刚主持中小学教室声环境的调查，担任该项目主任委员。这项由教育部发起，针对北方、中部、西南、华南中小学教室声环境的调查，发现了很多问题。“对简单声环境标准，70%都不符合。”吴硕贤说，教室设计普遍没有考虑声学设计，很多老师讲课学生听不清，影响教育质量。
　　此外，乘坐高铁时在开阔的候车厅，如何听到准确清晰的信息播报声，也有建筑声学上的考究。
　　2009年，吴硕贤承接了原铁道部关于铁路客站声环境的课题研究。这是团队在建筑声学研究的新领域之一，也是国内首个针对大空间建筑的专项声学研究，在国外也少有。
　　高铁站空间结构非常大，和原来火车站的声学特性不一样。大空间结构、人流密集的场所，对广播清晰度要求高。“如果声音不清楚，甚至会有安全隐患”。吴硕贤的博士生、声学实验室团队成员之一、华工建筑学院工程师刘培杰，2009年开始对高铁声环境进行研究，花了6年时间调研北京、上海、广州、南京、天津、成都、武汉等8个大型枢纽高铁站的声学环境。
　　研究发现，通常而言，考虑到防火，高铁站室内所有界面都是石材、铝合金、金属等，均属声反射材料，没有吸声效果，容易造成长混响和回声。而高铁候车厅的长宽又很大，在墙面做吸声效果不明显。调研后发现，对顶层做吸声降噪处理效果更好，“扬声器放多少个、怎么放、声音怎么控制，都有讲究。”
　　今年6月，刘培杰的博士论文顺利过关。吴硕贤表示，随着研究继续深入，未来将为高铁等大空间建筑提供声学设计的理论参考。
　　吴硕贤团队在国际上率先实现视听一体的座位选择系统，“可听化技术目前已经达到国际领先水平。”不同座位听到的音质不一样，不同人对听音的要求也不一样。吴硕贤团队已经能够对广州大剧院、星海音乐厅等厅堂实现提前听音选座，“技术很成熟了，但还没有找到一个剧院来实现。”
　　在全消声室(无界面反射)内录制民乐的干信号，将干信号与厅堂脉冲响应和人头脉冲响应卷积计算，并通过立体声耳机或扬声器的阵列播放，就可以把人坐在厅堂听到的效果完全模拟出来。简言之，建筑没建成前，就能让你听到未来在里面听声音的效果。
　　不光未来要建的建筑，三维动画、电影里出现的教堂、宫殿等建筑，过去音效是通过配音实现，现在吴硕贤团队能把每一座教堂、宫殿、建筑的音效，真实地模拟出来。“技术上完全能做得到，也可以产业化，但实验室没有那么多精力、人力来推广”，吴硕贤笑说。团队已经在厦门音乐厅实现视听三维一体化设计。
　　TA们是谁
　　吴硕贤院士团队
　　亚热带建筑科学国家重点实验室声学实验室
　　●2007年初，在原亚热带建筑教育部重点实验室的基础上，经科技部批准建立亚热带建筑科学国家重点实验室，2010年6月通过科技部验收，是目前全国高等学校建筑领域唯一的国家重点实验室。声学实验室是其下设的13个子实验室之一。
　　●团队带头人为中国科学院院士、亚热带建筑科学国家重点实验室主任、中国建筑学会建筑声学专业委员会主任委员、中国科学院技术科学部副主任吴硕贤，主要成员有赵越喆教授、谢菠荪教授、朱小雷教授、袁晓梅教授、孙海涛高工等。该团队是教育部创新团队和广东省高等学校科技创新团队，是我国建筑学科首个由教育部和国家外专局联合设立的111学科创新引智基地。
　　最新成果
　　●首次阐明声学虚边界原理，推导出混响场车流噪声简洁公式，较好地解决了国际上20多年未能解决的难题。
　　●建立居住区环境质量评价科学架构。
　　●提出了厅堂响度评价新指标和计算公式;提出扩散声场仿真新方法和评价厅堂音质的新方法、新指标及计算公式，完成了首例将计算机辅助建筑设计软件CAD与声学分析程序链接以分析室内音质的工作。
　　●在国内，首次对30多种民族乐器和戏曲功率级进行科学系统测定，首次录制中国民族音乐干信号，形成基础数据库。
　　●首次建立了中国人头传输函数HRTF数据库，并在国际上率先实现视听一体的座位选择系统。
　　●承担了包括广州大剧院、人民大会堂音质改建工程声场仿真、广州白云国际会议中心等近100项工程声学设计。
　　热点话题的科学视角，衣食住行的实证辟谣。一起为科学死磕，发现身边真知。
　　策划：任天阳 王海军 田霜月
　　统筹：冯巧 陈实 薛冰妮 贺蓓
　　采写：南都记者贺蓓 实习生王琦玥
　　摄影：南都记者林宏贤
　　出品：南方都市报科学新闻工作室

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